信号量与PV操作

Posted 2020-06-29 QueenTown

在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。
首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：
    P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
           ②如果S³0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
    V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
           ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
     一般来说，信号量S³0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S£0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

    利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：
进程P1              进程P2           ……          进程Pn
……                  ……                           ……
P（S）；              P（S）；                         P（S）；
临界区；             临界区；                        临界区；
V（S）；              V（S）；                        V（S）；
……                  ……            ……           ……

    其中信号量S用于互斥，初值为1。
    使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：
    （1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。
    （2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
   （3）互斥信号量的初值一般为1。

    利用信号量和PV操作实现进程同步
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。
    使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：

    （1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
    （2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
    （3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

【例1】生产者-消费者问题
在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
   full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往Buffer;
     V(full);
}
消费者进程
while(True){
P(full);
   从Buffer取出一个产品;
   V(empty);
   消费该产品;
   }
（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指
，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(full);
}

消费者进程
while(TRUE){
 P(full);
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V(empty);
   消费该产品;
   }
（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
    在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     P(mutex1)；
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(mutex1);
     V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
 P(full)
   P(mutex2)；
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V（mutex2）；
   V(empty);
   消费该产品;
   }
  需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。

【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

分析 在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。

    解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
      main()
      {
        cobegin
            father();      /*父亲进程*/
            son();        /*儿子进程*/
            daughter();    /*女儿进程*/
        coend
    ｝
    father()
    {
        while(1)
          {
            P(S);
            将水果放入盘中;
            if（放入的是桔子）V(So);
            else  V(Sa);
           }
     }
    son()
    {
        while(1)
          {
             P(So);
             从盘中取出桔子;
             V(S);
             吃桔子;
            ｝
    }
    daughter()
    {
         while(1)
            {
              P(Sa);
              从盘中取出苹果;
              V(S);
              吃苹果;
            ｝
｝
 
思考题：

四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：
    （1）应定义的信号量及初值：                    。
    （2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：
     A()                B()                  C()                 D()
      {                 {                    {                  {
      [1];                [3];                  [5];                 [7];
      read F;             read F;                read F;              read F;
     [2];                [4];                  [6];                 [8];
      }                  }                    }                  } 

    思考题解答：
（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
（2）从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

 

具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况：

1）              把信号量视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。

实现过程：

P(mutex);           // mutex的初始值为1

访问该共享数据;

V(mutex);

非临界区

2）              把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数，实现对一类共享资源的访问。

实现过程：

P(resource);          // resource的初始值为该资源的个数N

使用该资源；

V(resource);

非临界区

3）              把信号量作为进程间的同步工具

实现过程：

临界区C1；    P(S);

V(S);           临界区C2；

 

下面用几个例子来具体说明：

例1：某超市门口为顾客准备了100辆手推车，每位顾客在进去买东西时取一辆推车，在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。

分析：把手推车视为某种资源，每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子为PV原语的第二种应用类型。

解：semaphore  S_CartNum;   // 空闲的手推车数量， 初值为100

void  consumer(void)           // 顾客进程
{
        P(S_CartNum);

        买东西；

        结帐；

        V(S_CartNum); 
}

例2：桌子上有一个水果盘，每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程，试用P、V操作使这四个进程能正确地并发执行。

分析：爸爸和儿子两个进程相互制约，爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后，儿子进程才能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。

解：semaphore  S_PlateNum;  // 盘子容量，初值为1

semaphore  S_AppleNum;   // 苹果数量，初值为0

void  father( )                // 父亲进程
{

    while(1)

    {
        P(S_PlateNum);

        往盘子中放入一个苹果；

        V(S_AppleNum);

    } 
}

void  son( )   // 儿子进程
{

    while(1)

    {
        P(S_AppleNum);

        从盘中取出苹果；

        V(S_PlateNum);

        吃苹果；

    } 
}

另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:

经典IPC问题如：生产者－消费者，读者－写者，哲学家就餐，睡着的理发师等可参考相关教材。

一、两个进程PA、PB通过两个FIFO（先进先出）缓冲区队列连接（如图）

 

 

PA

PB

Q1

Q2

 

 

    PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息，PB从Q1取消息，处理后往Q2发消息，每个缓冲区长度等于传送消息长度. Q1队列长度为n，Q2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息，试用P、V操作解决上述进程间通讯问题。

解：// Q1队列当中的空闲缓冲区个数，初值为0
semaphore  S_BuffNum_Q1;  

// Q2队列当中的空闲缓冲区个数，初值为m 
semaphore  S_BuffNum_Q2;    

// Q1队列当中的消息数量，初值为n 
semaphore  S_MessageNum_Q1;

// Q2队列当中的消息数量，初值为0 
semaphore  S_MessageNum_Q2;

void  PA( )
{

        while(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q2);

                从Q2当中取出一条消息；

                V(S_BuffNum_Q2);

                处理消息；

                生成新的消息；

                P(S_BuffNum_Q1);

                把该消息发送到Q1当中；

                V(S_MessageNum_Q1);

        } 
}

void  PB( )
{

        while(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q1);

                从Q1当中取出一条消息；

                V(S_BuffNum_Q1);

                处理消息；

                生成新的消息；

                P(S_BuffNum_Q2);

                把该消息发送到Q2当中；

                V(S_MessageNum_Q2);

        } 
}

 

二、《操作系统》课程的期末考试即将举行，假设把学生和监考老师都看作进程，学生有N人，教师1人。考场门口每次只能进出一个人，进考场的原则是先来先进。当N个学生都进入了考场后，教师才能发卷子。学生交卷后即可离开考场，而教师要等收上来全部卷子并封装卷子后才能离开考场。

(1)问共需设置几个进程?

(2)请用P、V操作解决上述问题中的同步和互斥关系。

解：semaphore  S_Door;          // 能否进出门，初值1

semaphore  S_StudentReady;    // 学生是否到齐，初值为0

semaphore  S_ExamBegin;   // 开始考试，初值为0

semaphore  S_ExamOver;    // 考试结束，初值为0

int  nStudentNum = 0;          // 学生数目

semaphore  S_Mutex1         //互斥信号量，初值为1

int  nPaperNum = 0;       // 已交的卷子数目

semaphore  S_Mutex2         //互斥信号量，初值为1

void  student( )
{

        P(S_Door);

        进门；
        V(S_Door);

        P(S_Mutex1)；

        nStudentNum ++;         // 增加学生的个数

        if(nStudentNum == N)  V(S_StudentReady);

        V(S_Mutex1);

        P(S_ExamBegin);         // 等老师宣布考试开始

        考试中…

        交卷；

P(S_Mutex2)；

        nPaperNum ++;      // 增加试卷的份数

        if(nPaperNum == N)  V(S_ExamOver);

        V(S_Mutex2);

        P(S_Door);

        出门；

        V(S_Door);

}

void  teacher( )
{

        P(S_Door);

        进门；
        V(S_Door);

        P(S_StudentReady)；//等待最后一个学生来唤醒

        发卷子;

        for(i = 1; i <= N; i++)    V(S_ExamBegin);

        P(S_ExamOver);         // 等待考试结束

        封装试卷；

        P(S_Door);

        出门；
        V(S_Door);

}

 

三、某商店有两种食品A和B，最大数量均为m个。 该商店将A、B两种食品搭配出售，每次各取一个。为避免食品变质，遵循先到食品先出售的原则。有两个食品公司分别不断地供应A、B两种食品(每次一个)。为保证正常销售，当某种食品的数量比另一种的数量超过k(k<m)< font="">个时，暂停对数量大的食品进货，补充数量少的食品。

(1) 问共需设置几个进程?

(2) 用P、V操作解决上述问题中的同步互斥关系。

解：semaphore  S_BuffNum_A;  //A的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_A;          // A的个数，初值为0

semaphore  S_BuffNum_B;  //B的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_B;          // B的个数，初值为0

void  Shop( )
{

        while(1)

        {
                P(S_Num_A);

                P(S_Num_B)；

                分别取出A、B食品各一个;

                V(S_BuffNum_A);

                V(S_BuffNum_A);

                搭配地销售这一对食品;

        } 
}

// “A食品加1，而B食品不变”这种情形允许出现的次数(许可证的数量)，其值等于//k-(A-B)，初值为k

semaphore  S_A_B;

// “B食品加1，而A食品不变”这种情形允许出现的次数(许可证的数量)，其值等于//k-(B-A)，初值为k

semaphore  S_B_A;

void  Producer_A ( )
{

        while(1)

        {
                生产一个A食品；

                P(S_BuffNum_A)；

                P(S_A_B);

                向商店提供一个A食品；

                V(S_Num_A);

                V(S_B_A);

        } 
}

void  Producer_B ( )
{

        while(1)

        {
                生产一个B食品；

                P(S_BuffNum_B)；

                P(S_B_A);

                向商店提供一个B食品；

                V(S_Num_B);

                V(S_A_B);

        } 
}

四：在一栋学生公寓里，只有一间浴室，而且这间浴室非常小，每一次只能容纳一个人。公寓里既住着男生也住着女生，他们不得不分享这间浴室。因此，楼长制定了以下的浴室使用规则：（1）每一次只能有一个人在使用；（2）女生的优先级要高于男生，即如果同时有男生和女生在等待使用浴室，则女生优先；（3）对于相同性别的人来说，采用先来先使用的原则。

假设：

（1）当一个男生想要使用浴室时，他会去执行一个函数boy_wants_to_use_bathroom，当他离开浴室时，也会去执行另外一个函数boy_leaves_bathroom；

（2）当一个女生想要使用浴室时，会去执行函数girl_wants_to_use_bathroom，当她离开时, 也会执行函数girl_leaves_bathroom;

问题：请用信号量和P、V操作来实现这四个函数（初始状态：浴室是空的）。

解：信号量的定义：

semaphore  S_mutex;     // 互斥信号量，初值均为1

semaphore  S_boys; // 男生等待队列，初值为0

semaphore  S_girls;   // 女生等待队列，初值为0

普通变量的定义：

int  boys_waiting = 0;     // 正在等待的男生数；

int  girls_waiting = 0; // 正在等待的女生数；

int  using = 0;      // 当前是否有人在使用浴室;

void  boy_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if((using == 0) && (girls_waiting == 0))

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                boys_waiting ++;

                V(S_mutex);

                P(S_boys);

         }

}

void  boy_leaves_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(girls_waiting  >  0)  // 优先唤醒女生

         {

                girls_waiting --;

                V(S_girls);

         }

        else  if(boys_waiting  >  0)

         {

                boys_waiting --;

                V(S_ boys);

         }

        else    using  =  0;         // 无人在等待

        V(S_mutex);

}

void  girl_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(using == 0)

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                girls_waiting ++;

                V(S_mutex);